张喜迅,李广钦
(青海国鑫铝业股份有限公司,青海西宁810007)
4032铝合金属于高硅合金,具有热膨胀系数低、耐磨性能好、高温强度高等优点,广泛应用于内燃机活塞和发动机缸体的制造等领域,特别是随着我国铁路、公路运输业的发展,其用量越来越大。由于其在工作中需承受高温、高压和往复运动摩擦等,除了具有以上优点外,还需具有抗腐蚀性、导热系数小、疲劳性能好、使用寿命长等特点【1-2】。由于4032合金含硅量高,内部组织中的初晶硅和不规则形状的共晶硅都会对材料的综合性能造成很大影响。而作为需要进行二次加工的产品,不仅要求具有较高的强度,还要求具有较高的塑性。为了满足需求,我公司通过采用先进熔炼、变质处理和铸造工艺,严格控制共晶硅的形态和尺寸,杜绝了初晶硅的存在。为了进一步提升4032合金挤压棒材的综合性能,采用优化热处理工艺是一条重要的途径。本文通过对4032铝合金棒材进行热处理试验,研究了不同热处理制度对合金组织和力学性能的影响。
试验所用的4032合金棒材,其规格为Φ110mm圆棒,化学成分(质量分数)见表1。4032合金熔炼、变质、铸造等工艺,是经过大量试验获得的成熟工艺,可生产Φ127~Φ605mm不同规格的圆铸锭,共晶硅尺寸控制在0.05mm以下,没有初晶硅存在。棒材在55MN双动反向挤压机上完成挤压。
表1 4032合金化学成分(质量分数,%)Tab.1 Chemical composition of 4032 alloy
试样采用表2所示的工艺制度进行淬火、自然时效及人工时效处理。在AG-X100KN材料试验机上进行拉伸试验,使用拉伸软件控制拉伸过程,并进行数据的采集和处理,拉伸速率为1.5mm/min。利用AX40MAT金相显微镜观察内部组织形貌,用以解释不同热处理工艺对合金性能影响的机理。
表2 热处理工艺Tab.2 Schemes of heat treatment process
方案 热处理工艺3 520±2℃ ×3h;自然时效3h;170±2℃ ×130min 4 520±2℃ ×3h;自然时效3h;170±2℃ ×200min
所测试样的力学性能如表3所示,采用方案1的试样抗拉强度和屈服强度最高,断后伸长率最小,低于标准和客户要求,综合性能无法满足需求。采用方案2的试样,虽然断后伸长率有所提高,但仍不能满足需求。采用方案3的试样,断后伸长率大幅度上升,满足了要求,而抗拉强度和屈服强度大幅度下降,低于标准要求。采用方案4的试样,其抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均远高于标准和客户所要求的值。
表3 试样力学性能Tab.3 Mechanical properties of test samples
为了提升合金中强化相的固溶度,提高合金力学性能,应尽可能升高淬火加热温度。但是,合金中的共晶硅会在加热过程中聚集、球化,以及不溶相的球化又会使合金力学性能恶化【1-4】。经综合考虑采用520±2℃ ×3h的固溶处理工艺。
对于4032合金,在固溶处理后应立即进行峰值人工时效,可以获得高的强度,但是伸长率较低。同样的固溶和人工时效制度,人工时效前在室温下自然时效2h以上,虽然强度有所降低,但是可获得较高的伸长率【3】。从表3试验结果可以看出,相同的热处理工艺下,自然时效3h,伸长率由1.2%提高至2.3%,强度略有下降。由于合金中含有镁、铜元素,可以形成S(Al2CuMg)、Mg2Si及CuAl2强化相,所以淬火后既可自然时效,也可人工时效。自然失效阶段相当于双级时效中的低温预时效阶段,即成核阶段;人工时效为稳定化阶段,这样经过双级时效可使晶界上强化相质点球化,打破了晶界析出相的连续性,使组织得到改善,提高了韧性,但同时由于晶粒内的质点发生粗化,导致强度有所降低。
图1为拉伸试样断口宏观图,从左至右分别为方案1至4试样断口。从断口形貌上看,方案1试样断口大部分区域都垂直于拉伸方向,呈现出典型的阶梯状解理断口形貌,方案2试样呈现出部分河流状的准解理断口形貌和部分解理状断口形貌。这很好地解释了合金具有很低的延展性,而方案2试样的延展性又高于方案1试样。方案3和方案4试样都呈现出部分河流状的准解理断口形貌和部分韧窝状的断口形貌,相对于方案4试样,方案3试样断口呈现出明显的剪切区。这很好地解释了方案3和方案4试样的延展性优于方案1和方案2试样的,同时方案3试样的延展性又优于方案4试样的【5】。
图1 拉伸试验断口宏观图Fig.1 Macro fracture morphology of test samples
图2为方案1至4试样金相组织图。从图2中可以看出,方案1、2试样中的共晶硅、金属间析出相明显较方案3、4试样中的大,且较为集中,其中方案1试样中的分布最为集中且比方案2试样中的细小,方案3试样中的分布最为均匀且细小,集中部分都在晶界周围。这说明第一阶段的自然时效对金属间析出相的均匀分布起到了较为明显的优化作用,但在同时也使得共晶硅和金属间析出相发生了粗化,这也是方案1试样强度高于方案2试样的而伸长率低于方案2试样的原因。随着人工时效时间的延长,共晶硅和金属间析出相逐步粗化且分布逐渐向晶界周围集中,球化程度逐渐减弱,条状、不规则形状共晶硅和金属间析出相逐渐增多。球形析出相可以降低沿晶界断裂时的应力集中,避免了晶界过早产生裂纹形核,提高合金的断裂韧性【6】,是方案3、4试样伸长率较高的主要原因;尺寸较大的富含Ni、Fe的脆性相,成为试样容易断裂的裂纹源【7】,共晶硅和金属间析出相在晶界周围的集中,有效地阻碍了断裂时裂纹的扩展,提高了试样的强度。
图2 试样的金相组织(1000X)(1~4分别为方案1~4试样)Fig.2 Microstructure of test samples(1000X)
(1)同样的固溶和人工时效制度,人工时效前自然时效3h,虽然强度有所降低,但可以较大幅度地提高伸长率;
(2)综合成本、产品性能等各方面因素考虑,最优化的热处理工艺为:淬火工艺,520±2℃ ×3h;时效工艺,自然时效3h,人工时效170±2℃ ×200min;
(3)通过优化热处理工艺处理后,可获得抗拉强度378MPa、屈服强度329MPa、断后伸长率5.3%的力学性能,超过标准和客户的要求。
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